CN109141817B - 高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，采用试验平台进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气、雾化特征试验以及高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验，试验平台包括承压箱、低压气循环系统和高速水循环系统，低压气循环系统包括通气支管，通气支管经通气主管与抽气泵连接；高速水循环系统包括供水支管和回水管路，在供水主管上设有射流泵，在供水支管的出口上设有接口，在接口上连接缩径喷头或强迫掺气结构模型，启动并调节射流泵和回水泵，使供水支管的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵，使承压箱内的真空度达到设计低压，关闭气路进行试验。本发明能够用于开展高海拔、高流速水气两相流作用机理的试验研究。

Description

高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法

技术领域

本发明涉及高坝水力学测试技术领域，特别是一种可用于仿真高海拔地区高坝泄流环境，开展低气压高速泄洪水流掺气特征和雾化特征研究的试验方法。

背景技术

水电站是人类用于调控水资源时空分布，提升水能潜在综合利用效益，实现能源可持续发展的基础性福祉工程，也是推动全球电网互联，开创水电美好未来的基础载体。随着我国云贵和西藏地区水电事业的迅速发展，“高水头、大流量、窄河谷”地区的高海拔高坝枢纽在结构设计及泄洪安全等方面也凸现出许多由于气压环境变化引发的新挑战。高海拔地区，由于地理位置特殊，空气稀薄，大气压力降低，导致高速水流的水气作用机制改变。高速水流的掺气和雾化特征，特别是高坝泄流水舌的运动挑距、散裂扩散、水舌碰并效应、水舌击溅效应、入水冲击动量、直冲击区范围、冲击区下游涌浪高度等，受低气压环境的影响程度不确定，直接影响水工模型试验数据的相似引申。

目前的水工减压模型试验用于反演或预演水工结构的空化空蚀特征，减压箱内的真空度基于重力相似准则和空化数相等原理进行控制，试验流速为低速。四川大学搭建的高速射流模型试验装置，用于开展高速淹没射流的冲击压强特性和高速水流空化特性的研究，试验在常压环境下开展。当前的模型试验设备不能同时提供高速水流和低气压环境，不能直接开展高海拔、高流速水气两相流作用机理的试验研究。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，能够同时提供高速水流和低气压环境，可用于开展高海拔、高流速水气两相流作用机理的试验研究。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，采用试验平台进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气、雾化特征试验以及高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验，所述试验平台包括承压箱、与所述承压箱连接的低压气循环系统以及与所述承压箱连接的高速水循环系统，所述承压箱采用密封结构，设有左端板和右端板，在所述承压箱顶部设有真空压力表，在所述承压箱上设有密封工作门，所述低压气循环系统包括与所述承压箱顶部连接的多个通气支管，所有所述通气支管均匀布置在所述承压箱顶部，所述通气支管与通气主管连接，所述通气主管与所述抽气泵连接，在所述通气主管与所述抽气泵之间设有储气罐；在所述通气主管上设有气路调节阀Ⅰ；所述高速水循环系统包括连接在所述承压箱左端板上的供水支管以及连接在所述承压箱右端板上的回水管路，所述供水支管的进口通过供水主管与储水箱连接，在所述供水主管上设有射流泵和流量计，在所述供水支管的出口上设有接口，在所述回水管路上设有回水泵；在所述接口上连接缩径喷头，启动并调节射流泵和回水泵，使供水支管的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵，使承压箱内的真空度达到设计低压，进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气雾化特征试验；在所述接口上连接强迫掺气结构模型，启动并调节射流泵和回水泵，使供水支管的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵，使承压箱内的真空度达到设计低压，进行泄流掺气减蚀结构的掺气通气特征试验。

在所述通气主管上连接有多个补气支管，所有的所述补气支管均匀布置在所述承压箱的顶部，所述补气支管连通常压大气环境，在所述补气支管上设有气路调节阀Ⅱ。

在所述承压箱内的水流冲击区前方设有挡水板，所述挡水板固定在所述承压箱的底板上，在所述承压箱的箱壁上连接有位于所述挡水板后方的补水管口，在所述挡水板的底部设有排水孔，在所述排水孔内设有堵水塞，所述补水管口通过补水管路与所述储水箱连接，在所述补水管路上设有补水泵和水路调节阀。

所述承压箱的底面为坡面，左端较高，所述承压箱的底面靠近右端板的部位设有储水槽，所述水槽与所述坡面的右端连接。

在所述承压箱内顶部设有照明灯和监控器，在所述承压箱上设有观察窗。

本发明具有的优点和积极效果是：通过采用低压气循环系统为试验提供低气压环境，通过采用高速水循环系统为试验提供高流速水流，因此，本发明能够用于开展高海拔、高流速水气两相流作用机理的试验研究。并且可以选择安装掺气或雾化类模型，可设计多种试验工况，经济快捷，可循环持续利用，可用于量化高坝泄流水舌的运动挑距、散裂扩散、碰并击溅、入水冲击动量、直冲击区范围、冲击区击溅效应、冲击区下游涌浪高度等高坝泄洪关键技术指标的环境气压响应特征，有助于高海拔高水头水电站的合理开发和调度。

附图说明

图1为本发明应用的试验平台结构示意图；

图2为图1的纵剖示图；

图3为图2的B-B剖示图；

图4a为应用本发明进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气类特征试验示意图；

图4b为应用本发明进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的雾化类特征试验示意图；

图5为应用本发明进行高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验示意图。

图中：1、承压箱；2、观察窗；3、密封工作门；4、压力表；5、通气支管；6、通气主管；7、补气支管；8、气路调节阀Ⅱ；9、气路调节阀Ⅰ；10、储气罐；11、抽气泵；12、储水箱；13、供水主管；14、射流泵；15、流量计；16、供水支管；17、补水管路；18、补水管口；19、回水管路；20、补水泵；21、回水泵；22、挡水板；23、排水孔；24、监控器；25、照明灯；26、储水槽；27、水舌运动挑距；28、水舌入水冲击动量；29、直冲击区范围；30、冲击区下游涌浪高度；31、水舌散裂扩散雾化场；32、水舌碰并雾化场；33、水舌击溅雾化场；34、通气量；35、空腔负压；36、空腔长度；37、水路调节阀。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图3，一种高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，采用试验平台进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气、雾化特征试验以及高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验，所述试验平台包括承压箱1、与所述承压箱1连接的低压气循环系统以及与所述承压箱1连接的高速水循环系统，所述承压箱1采用密封结构，设有左端板和右端板，在所述承压箱1顶部设有压力表4，在所述承压箱1上设有密封工作门3，所述低压气循环系统包括与所述承压箱1顶部连接的多个通气支管5，所有所述通气支管5均匀布置在所述承压箱1顶部，所述通气支管5与通气主管6连接，所述通气主管6与所述抽气泵11连接，在所述通气主管6与所述抽气泵11之间设有储气罐10；在所述通气主管6上设有气路调节阀Ⅰ9；所述高速水循环系统包括连接在所述承压箱1左端板上的供水支管16以及连接在所述承压箱1右端板上的回水管路19，所述供水支管16的进口通过供水主管13与储水箱12连接，在所述供水主管13上设有射流泵14和流量计15，在所述供水支管16的出口上设有接口，在所述回水管路19上设有回水泵21；在所述接口上连接缩径喷头，启动并调节射流泵14和回水泵21，使供水支管16的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵11，使承压箱1内的真空度达到设计低压，进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气雾化特征试验；在所述接口上连接强迫掺气结构模型，启动并调节射流泵14和回水泵21，使供水支管16的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵11，使承压箱1内的真空度达到设计低压，进行泄流掺气减蚀结构的掺气通气特征试验。上述试验平台中的低压气循环系统能够为试验提供低气压环境，气压设计调控范围40％～100％标准大气压；高速水循环系统能够为试验提供高流速水流，流速设计调控范围6m/s～50m/s，因此，本发明能够用于开展高海拔、高流速水气两相流作用机理的试验研究。

在本实施例中，为了保障承压箱的运行安全，在所述通气主管6上连接有多个补气支管7，所有的所述补气支管7均匀布置在所述承压箱1的顶部，所述补气支管7连通常压大气环境，在所述补气支管7上设有气路调节阀Ⅱ8。

在本实施例中，为了减免水流冲击作用对承压箱底部的损坏，在所述承压箱1内的水流冲击区前方设有挡水板22，所述挡水板22固定在所述承压箱1的底板上，在所述承压箱1的箱壁上连接有位于所述挡水板22后方的补水管口18，在所述挡水板22的底部设有排水孔23，在所述排水孔23内设有堵水塞，所述补水管口18通过补水管路17与所述储水箱12连接，在所述补水管路17上设有补水泵20和水路调节阀37。

在本实施例中，为了便于排空承压箱内的积水，将所述承压箱1的底面设计为坡面，左端较高，所述承压箱1的底面靠近右端板的部位设有储水槽26，所述储水槽26与所述坡面的右端连接，以保证回水泵21的安全运行。

在本实施例中，为了方便试验模型安装调试和试验过程控制，在所述承压箱1内顶部设有照明灯25和监控器24，在所述承压箱1上设有观察窗2。

本发明的应用：

1)低压气循环调节监测

开启承压箱1内的监控器24和照明灯25，并使所述承压箱1的低压气循环系统构成闭合回路。

1.1)抽气调节监测操作方法：关闭承压箱1的工作门3，关闭补气支管7上的气路调节阀Ⅱ8；开启通气主管6上的气路调节阀Ⅰ9至最大开度，然后启动抽气泵11；通过集成观察承压箱1上的压力表4示数，记录监测承压箱1箱内气压变化；待承压箱1的箱内气压达到目标气压时，关闭上述打开的气路调节阀Ⅰ9。

1.2)补气调节监测操作方法：继上述1.1操作后，依次打开通气主管6上的气路调节阀Ⅰ和补气支管7上的气路调节阀Ⅱ8；通过观察承压箱1上的压力表4示数，监测承压箱1箱内气压变化；待承压箱1内气压达到常压时，关闭通气主管6上的气路调节阀Ⅰ9和补气支管7上的气路调节阀Ⅱ8，打开承压箱1的工作门3。

2)高速水循环调节监测

开启承压箱1内的监控器24和照明灯25；根据试验需求，在所述供水支管13的出口上连接缩径喷头(见图4)或强迫掺气结构模型(见图5)，安装调节挡水板22；使所述承压箱1的高速水循环系统构成闭合回路；将储水箱12蓄水至试验需求量；关闭供水管路和回水管路上的水路调节阀37。

2.1)补水调节监测操作方法，堵塞挡水板22的排水孔23，启动补水管路17上的补水泵20，打开补水管路上的水路调节阀37，通过补水管口18向承压箱1与挡水板22包络的水流冲击区补水，待补水水位漫过水垫调节板22时，停止运行补水管路17上的补水泵20，并关闭补水管路17上的水路调节阀37。

2.2)供水调节监测操作方法：继上述2.1操作之后，打开供水主管13上的水路调节阀37，启动射流泵14，打开连通承压箱1内模型试验的供水支路16上的水路调节阀37；随即启动回水管路19上的回水泵21和水路调节阀37；运行稳定后，接通供水管路13上流量计15的电源，重复调节射流泵14出口处的水路调节阀37至所需试验流量(最小流量宜大于射流泵14最大流量的1/3)；

在所述一个供水支管16(位置较高的)出口上连接缩径喷头(见图4)，进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气类特征试验，其主要测试特征量包括水舌运动挑距27、水舌入水冲击动量28、直冲击区范围29、冲击区下游涌浪高度30(见图4a)；

在所述两个供水支管16的出口上连接缩径喷头(见图4)，进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的雾化类特征试验，其主要测试特征量包括水舌散裂扩散雾化场31、水舌碰并雾化场32、水舌击溅雾化场33(见图4b)；

在所述一个供水支管16(位置较高的)出口上连接强迫掺气结构模型(见图5)，进行高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验，其主要测试特征量包括通气量34、空腔负压35和空腔长度36(见图5)。

测试完成后，关闭射流泵14和供水管路13上的水路调节阀37。

2.3)回水调节监测操作方法：继上述2.1和2.2之后，回水管路19上的回水泵21继续运行；待承压箱1内挡水板22下游水位降低至人可安全进入后，打开挡水板22的排水孔23；待承压箱1的积水排尽时，关闭回水管路19上的回水泵21和水路调节阀37。

3)低气压高流速协同试验

3.1)定流速调节气压的试验过程中，根据上述2.1和2.2的操作方法，启动高速水循环系统，待供水管路的流量满足试验需求且稳定后，采集并记录试验结果；再根据1.1的操作方法，调节承压箱1的箱内气压至试验设计气压，微调高速水循环系统中的供水量至设计流量，并实时调整排水量保证回水管路19的回水泵21在满管状态下工作，再次采集并记录减压环境下的试验结果；重复上述操作，完成测试后，根据2.2的操作方法，

关闭上述的高速水循环系统；再根据1.2的操作方法，向承压箱1的箱内补气至常压，根据2.3的操作方法，将承压箱1内的积水进行抽排。

3.2)定气压调节流速的试验过程中，根据1.1启动低气压循环系统，待承压箱1的压力表4示数稳定在所需气压时，根据3.1启动高流速循环系统，待供水管路的流量满足试验需求且稳定后，采集并记录试验结果；重复调节射流泵14出口处的水路调节阀37至所需流量(最小流量宜大于射流泵15最大流量的1/3)，进行不同流速工况的试验。

测试完成后，根据3.2关闭上述的高速水循环系统，根据1.2向承压箱内补气至常压，根据1.2将承压箱内的水进行抽排。

5)试验平台的系统运行维护

①射流泵14配置减压启动柜启动，启动功率优先选择1.3～1.5倍射流泵14的电机额定功率；②射流泵14、抽气泵11、补水泵20和回水泵21均需定期润滑，且启动后需观察各泵运行情况，避免反转运行；③试验结束后承压箱1要及时补气到常压，以避免箱体长期处在负载状态。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，其特征在于，采用试验平台进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气、雾化特征试验以及高坝泄流的掺气减蚀结构掺气通气特征试验，

所述试验平台包括承压箱、与所述承压箱连接的低压气循环系统以及与所述承压箱连接的高速水循环系统，

所述承压箱采用密封结构，设有左端板和右端板，在所述承压箱顶部设有压力表，在所述承压箱上设有密封工作门，

所述低压气循环系统包括与所述承压箱顶部连接的多个通气支管，所有所述通气支管均匀布置在所述承压箱顶部，所述通气支管与通气主管连接，所述通气主管与抽气泵连接，在所述通气主管与所述抽气泵之间设有储气罐；在所述通气主管上设有气路调节阀Ⅰ；

所述高速水循环系统包括连接在所述承压箱左端板上的供水支管以及连接在所述承压箱右端板上的回水管路，所述供水支管的进口通过供水主管与储水箱连接，在所述供水主管上设有射流泵和流量计，在所述供水支管的出口上设有接口，在所述回水管路上设有回水泵；

在所述接口上连接缩径喷头，启动并调节射流泵和回水泵，使供水支管的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵，使承压箱内的真空度达到设计低压，进行高坝坝身孔口泄流高速水舌的掺气雾化特征试验；

在所述接口上连接强迫掺气结构模型，启动并调节射流泵和回水泵，使供水支管的出水量达到设计高速，启动并调节抽气泵，使承压箱内的真空度达到设计低压，进行泄流掺气减蚀结构的掺气通气特征试验。

2.根据权利要求1所述的高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，其特征在于，在所述通气主管上连接有多个补气支管，所有的所述补气支管均匀布置在所述承压箱的顶部，所述补气支管连通常压大气环境，在所述补气支管上设有气路调节阀Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，其特征在于，在所述承压箱内的水流冲击区前方设有挡水板，所述挡水板固定在所述承压箱的底板上，在所述承压箱的箱壁上连接有位于所述挡水板后方的补水管口，在所述挡水板的底部设有排水孔，在所述排水孔内设有堵水塞，所述补水管口通过补水管路与所述储水箱连接，在所述补水管路上设有补水泵和水路调节阀。

4.根据权利要求1所述的高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，其特征在于，所述承压箱的底面为坡面，左端较高，所述承压箱的底面靠近右端板的部位设有储水槽，所述的储水槽与所述坡面的右端连接。

5.根据权利要求1所述的高海拔坝工高速水气两相流研究试验方法，其特征在于，在所述承压箱内顶部设有照明灯和监控器，在所述承压箱上设有观察窗。